Bai Giang - Cac Mang Thong Tin Vo Tuyen PDF [PDF]

Zitiervorschau

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

T

BÀI GIẢNG

-V

CÁC MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN

PT IT

(Lưu hành nội bộ)

Biên soạn:

TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

Hiệu chỉnh:

PGS.TS. Đặng Thế Ngọc

Hà nội, 12/2016

Mục lục

MỤC LỤC MỤC LỤC............................................................................................................................i DANH MỤC HÌNH VẼ.....................................................................................................ix DANH MỤC BẢNG BIỂU..............................................................................................xvi LỜI NÓI ĐẦU ...............................................................................................................xviii CHƯƠNG 1.........................................................................................................................1 TỔNG QUAN WIMAX......................................................................................................1 1.1 Tổng quan họ tiêu chuẩn 802.16...............................................................................1 1.2. Các tính năng tiên tiến của WiMAX ........................................................................5 1.3 WiMAX di động ........................................................................................................7

T

1.4. Các tùy chọn phổ cho mạng không dây băng rộng.................................................10 1.5. Kiến trúc mạng WiMAX ........................................................................................13

-V

1.6 Cấu trúc giao thức IEEE 802.16m ...........................................................................17 1.6.1 Ngăn xếp giao thức tổng quan của 802.16m.....................................................17 1.6.2 Cấu trúc giao thức hỗ trợ đa sóng mang ...........................................................21

PT IT

1.6.3 Cấu trúc giao thức hỗ trợ đồng tồn tại đa vô tuyến...........................................21 1.6.4 Cấu trúc giao thức chuyển tiếp .........................................................................22 1.6.5 Luồng xử lý của mặt phẳng số liệu AMS/ABS ................................................22 1.6.6. Luồng xử lý mặt phẳng điều khiển AMS/ABS................................................23 1.6.7 Xử lý gói IP tại máy phát BS và máy thu MS...................................................24 1.6.8. Các chức năng mặt phẳng số liệu và mặt phẳng điều khiển trong các trạm chuyển tiếp.........................................................................................................................25 1.6.9. Cấu trúc giao thức đê hỗ trợ khai thác đa sóng mang ......................................29 1.6.10. Cấu trúc giao thức để hỗ trợ các dịch vụ đa phương và quảng bá .................30 1.7 Biểu đồ trạng thái AMS...........................................................................................32 1.7.1. Biểu đồ trạng thái AMS tổng quát ...................................................................32 1.7.2. Trạng thái khởi đầu ..........................................................................................33 1.7.3. Trạng thái truy nhập.........................................................................................34 2.5.4. Trạng thái kết nối .............................................................................................34 1.7.5. Trạng thái rỗi....................................................................................................35 1.8 Tổng kết ...................................................................................................................36

i

Mục lục

1.9 Câu hỏi.....................................................................................................................36 CHƯƠNG 2.......................................................................................................................38 LỚP MAC CỦA WIMAX DI ĐỘNG...............................................................................38 2.1 Tổng quan về lớp MAC ...........................................................................................38 2.2. Cấu trúc lớp MAC ..................................................................................................38 2.3. Lớp con hội tụ MAC CS.........................................................................................40 2.4 Lớp con phần chung MAC CPS ..............................................................................43 2.5. Các dịch vụ MAC ...................................................................................................47 2.5.1. Hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QOS)....................................................................47 2.5.2. Dịch vụ lập biểu MAC ....................................................................................50 2.5.3. Yêu cầu và ấn định băng thông........................................................................51

T

2.6. Nhập mạng và khởi đầu ..........................................................................................53

-V

2.6.1. Quét và đồng bộ kênh đường xuống ................................................................54 2.6.2. Nhận các thông số đường lên...........................................................................54 2.6.3. Định cự ly........................................................................................................54 2.6.4. Đàm phán các khả năng cơ sở..........................................................................55

PT IT

2.6.5. Đăng ký và thiết lập kết nối IP........................................................................56 2.7. Thiết lập luồng dịch vụ ...........................................................................................56 2.8. Quản lý công suất ...................................................................................................57 2.8.1. Chế độ ngủ .......................................................................................................57 2.8.2. Chế độ rỗi.........................................................................................................59 2.9. Quản lý di động ......................................................................................................60 2.9.1. Quản lý vị trí ....................................................................................................60 2.9.2. Quản lý chuyển giao ........................................................................................60 2.9.3. Các chiến lược chuyển giao .............................................................................62 2.9.4. Ưu tiên chuyển giao .........................................................................................65 2.9.5. Các vấn đề thực tế nẩy sinh đối với chuyển giao............................................65 2.9.6. Quét và đo ........................................................................................................67 2.9.3. Quá trình chuyển giao và chọn lại ô ................................................................68 2.9.8. Chuyển giao phân tập vĩ mô và chuyển mạch BS nhanh.................................70 2.10. Tổng kết ................................................................................................................72 Câu hỏi...........................................................................................................................72 ii

Mục lục

CHƯƠNG 3.......................................................................................................................74 LỚP VẬT LÝ CỦA WIMAX DI ĐỘNG .........................................................................74 3.1 Mở đầu.....................................................................................................................74 3.2. Cấu trúc lớp vật lý của WIMAX di động ...............................................................76 3.2.1.Tuyến phát.........................................................................................................76 3.2.2. Tuyến thu .........................................................................................................76 3.3. OFDMA khả định cỡ và cấu trúc tín hiệu OFDMA của IEEE 802.16e-2005........76 3.3.1. OFDMA khả định cỡ .......................................................................................76 3.3.2. Cấu trúc ký hiệu OFDM..................................................................................78 3.3.4. Sắp xếp kênh con .............................................................................................78 3.3.5. Khe và cấu trúc khung TDD ............................................................................85

T

3.4. Các thông số OFDM VÀ CẤU TRÚC KHUNG CỦA IEEE 802.16m ................89

-V

3.4.1. Các thông số OFDM ........................................................................................89 3.4.2. Cấu trúc khung .................................................................................................90 3.3. Cấu trúc vạt lý đường xuống trong IEEE 802.16m ................................................93 3.3.1. Mở đầu .............................................................................................................93

PT IT

3.5.2. PRU và LRU ....................................................................................................94 3.5.3. Phân định kênh con và sắp xếp tài nguyên ....................................................95 3.5.4. Phân định kênh con cho ấn đinh định tài nguyên phân bố đường xuống ........96 3.5.5. Phân định kênh cho cho tài nguyên chia lô đường xuống ...............................97 3.5.6. Cấu trúc hoa tiêu ..............................................................................................97 3.6. Cấu trúc vật lý đường lên trong IEEE 802.16m .....................................................98 3.6.1. Mở đầu .............................................................................................................98 3.6.2. PRU và LRU ....................................................................................................99 3.6.3. Phân định kênh con và sắp xếp tài nguyên ..................................................100 3.6.4. Phân định kênh con đối với ấn định tài nguyên phân bố đường lên .............101 3.6.5. Phân định kênh con đối với tài nguyên chia lô đường lên .............................101 3.6.6. Cấu trúc hoa tiêu ............................................................................................101 3.7. Điều chế và mã hóa...............................................................................................102 3.8. Các công nghệ đa anten trong IEEE 802.16e .......................................................103 3.8.1. Sơ đồ phân tập phát sử dụng hai anten ..........................................................104 3.8.2. Sơ đồ đa anten phát cho đường xuống ...........................................................106 iii

Mục lục

3.8.3. Mã phân tập nhẩy tần .....................................................................................108 3.8.4. MIMO vòng kín .............................................................................................108 3.8.5. Sơ đồ thích ứng mã không gian/thời gian và tao búp ....................................111 3.9. Sơ đồ truyền dẫn MIMO trong IEEE 802.16m ....................................................113 3.9.1. Kiến trúc MIMO và xử lý số liệu đường xuống ............................................113 3.9.2. Sơ đồ truyền dẫn MIMO đường lên...............................................................118 3.10. Các tính năng tăng cường của lớp vật lý WIMAX di động................................119 3.10.1. Mã hóa kênh thích ứng và CQICH ..............................................................120 3.10.2. Mã hóa turbo, LDPC và đan xen..................................................................120 3.10.3. HARQ ..........................................................................................................122 3.11. Các tính năng tiên tiến của WIMAX di động .....................................................123

T

3.11.1. Tái sử dụng tần số một phần ........................................................................123

-V

3.11.2. Dịch vụ đa phương và quảng bá (MBS) ......................................................124 3.12. Định cự ly, điều khiển công suất và đo chất lượng kênh....................................125 3.12.1. Định cự ly.....................................................................................................125 3.12.2. Điều khiển công suất...................................................................................127

PT IT

3.12.3. Đo chất lượng kênh .....................................................................................128 3.13. Tổng kết ..............................................................................................................129 Câu hỏi chương 3.........................................................................................................129 CHƯƠNG 4.....................................................................................................................131 WLAN và WIFI...............................................................................................................131 4.1 Mở đầu...................................................................................................................131 4.2. Kiến trúc một mạng WLAN .................................................................................132 4.2.1. Mô hình tham chuẩn OSI ...............................................................................133 4.2.2. Các thành phần logic của hệ thống không dây...............................................134 4.2.3. Các thành phần vật lý của hệ thống vô tuyến ................................................136 4.3. Cấu hình topo của WLAN ....................................................................................137 4.3.1. Cấu hình WLAN ............................................................................................137 4.3.2. Kiến trúc sở và chế độ khai thác mạng đối với hệ thống 802.11 ...................139 4.4. Các băng tần của WLAN......................................................................................141 4.5. Các tiêu chuẩn WLAN.........................................................................................142 4.5.1. Viện công nghệ điện và điện tử (IEEE) ........................................................142 iv

Mục lục

4.5.2. Chuẩn 802.11 .................................................................................................143 4.5.3. Chuẩn 802.11b ...............................................................................................144 4.5.4. Chuẩn 802.11a. ..............................................................................................148 4.5.5. Chuẩn 802.11g ...............................................................................................150 4.5.6. Chuẩn 802.11n ...............................................................................................151 4.5.5. Các nhóm công tác có liên quan khác............................................................154 4.6. Các dịch vụ và các cơ chế hỗ trợ cho 802.11 ......................................................155 4.6.1. Các dịch vụ hỗ trợ cho 802.11 .......................................................................155 4.6.2. Cơ chế CSMA-CA ........................................................................................156 4.6.3. DCF/PCF 802.11 và các cơ chế RTC/CTS....................................................157 4.6.4. Thông báo đã nhận số liệu 802.11 .................................................................157

T

4.6.5. Phân đoạn 802.11...........................................................................................158

-V

4.6.6. Quản lý công suất 802.11...............................................................................158 4.6.7. Chuyền vùng đa ô 802.11 ..............................................................................158 4.6.8. An ninh 802.11..............................................................................................159 4.7. Lớp vật lý của 802.11 ...........................................................................................160

PT IT

4.8. Chuẩn 802.11 MAC..............................................................................................161 4.8.1. Mở đầu ...........................................................................................................161 4.8.2. Chức năng điều phối phân bố của 802.11 ......................................................161 4.8.3. Chức năng điều phối điểm .............................................................................164 4.9. Dung lượng và hiệu năng của hệ thống 802.11 ....................................................165 4.9.1. Vùng phủ và hiệu năng thông lượng..............................................................165 4.9.2. Ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh lên dung lượng hệ thống ...........................168 4.10. Kết luận..............................................................................................................170 Câu hỏi chương 4.........................................................................................................171 CHƯƠNG 5.....................................................................................................................172 CÁC MẠNG ADHOC KHÔNG DÂY ...........................................................................172 5.1 Mở đầu...................................................................................................................172 5.2. Ứng dụng của các mạng Ad HOC không dây ......................................................173 5.2.1. Các mạng số liệu ............................................................................................174 5.2.2. Các mạng nhà.................................................................................................174 5.2.3. Các mạng thiết bị ...........................................................................................175 v

Mục lục

5.2.4. Các mạng cảm biến ........................................................................................175 5.2.5. Hệ thống điều khiển phân tán .......................................................................176 5.3. Các nguyên lý và các thách thức thiết kế .............................................................177 5.4. Các lớp giao thức ..................................................................................................178 5.4.1. Thiết kế lớp vật lý ..........................................................................................180 5.4.2. Thiết kế lớp truy nhập ....................................................................................181 5.4.3. Thiết kế lớp mạng ..........................................................................................183 5.4.4. Thiết kế lớp truyền tải ....................................................................................188 5.4.5. Thiết kế lớp ứng dụng ....................................................................................189 5.5. Thiết kế lớp chéo ..................................................................................................190 5.6. Các giới hạn dung lượng mạng.............................................................................192

T

5.7. Các mạng bị hạn chế bởi năng lượng ...................................................................193

-V

5.7.1. Điều chế và mã hóa........................................................................................194 5.7.2. MIMO và MIMO hợp tác ..............................................................................195 5.7.3. Truy nhập, định tuyến và ngủ ........................................................................196 5.7.4. Thiết kế lớp chéo trong điều kiện hạn chế năng lượng ..................................197

PT IT

5.7.5. Dung lượng trên năng lượng đơn vị...............................................................197 5.8. Tổng kết ................................................................................................................198 Câu hỏi chương 5.........................................................................................................199 CHƯƠNG 6.....................................................................................................................200 HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH .............................................................................200 6.1. Các quỹ đạo vệ tinh và phân bổ tần sô cho các hệ thông thông tin vệ tinh .........200 6.1.1. Các quỹ đạo vệ tinh cho các hệ thông thông tin vệ tinh ................................200 6.1.2. Phân bố tần số cho các hệ thông thông tin vệ tinh.........................................200 6.2. Các hệ thống thông tin vệ tinh..............................................................................202 6.2.1. Intelsat...........................................................................................................202 6.2.2. Vệ tinh nôi địa, DOMSAT.............................................................................202 6.2.3. Các hệ thống thông tin di động vệ tinh ..........................................................203 6.3. Các định luật KEPLER và quỹ đạo vệ tinh ..........................................................210 6.3.1. Các định luật Kepler ......................................................................................210 6.3.2. Quỹ đạo vệ tinh ..............................................................................................213 6.3.3 Các quỹ đạo nghiêng.......................................................................................217 vi

Mục lục

6.3.4 Quỹ đạo địa tĩnh..............................................................................................217 6.4 CÁC CÔNG NGHỆ ĐA TRUY NHẬP CHO THÔNG TIN VỆ TINH ...............223 6.4.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số, FDMA ...................................................223 6.4.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian, TDMA ..............................................228 6.4.3. CDMA............................................................................................................243 6.5. Tổng kết ................................................................................................................245 Câu hỏi chương 6.........................................................................................................246 CHƯƠNG 7.....................................................................................................................249 THIẾT KẾ ĐƯỜNG TRUYỀN THÔNG TIN VỆ TINH...............................................249 7.1. Tổn hao đường truyền và công suất tín hiệu thu .................................................249 7.1.1. Truyền dẫn trong không gian tự do...............................................................249

T

7.1.2. Tồn hao do mất đồng chỉnh anten..................................................................250

-V

7.1.3. Tổn hao khí quyển và điện ly.........................................................................250 7.2. Phương trình quỹ đường truyền............................................................................250 7.3. Công suất tạp âm nhiệt .........................................................................................251 7.3.1. Tạp âm anten..................................................................................................251

PT IT

7.3.2. Hệ số tạp âm và nhiệt độ tạp âm ...................................................................253 7.4. Tỉ số tín hiệu trên tạp âm ......................................................................................257 7.5. Tỉ số tín hiệu trên tạp âm đường lên .....................................................................257 7.5.1. Công thức tổng quát .......................................................................................257 7.5.2. Mật độ thông lượng bão hoà ..........................................................................258 7.5.3. Độ lùi đầu vào ................................................................................................259 7.5.4. Bộ khuếch đại công suất lớn ..........................................................................259 7.6. Tỉ số tín hiệu trên tạp âm đường xuống................................................................260 7.6.1. Công thức tổng quát .......................................................................................260 7.6.2 Độ lùi đầu ra...................................................................................................260 7.6.3. Công suất ra của đèn sóng chạy .....................................................................261 7.7. Ảnh hưởng của mưa..............................................................................................261 7.7.1. Dự trữ phađinh mưa đường lên......................................................................262 7.7.2. Dự trữ phađinh mưa đường xuống.................................................................263 7.8. Dự trữ đường truyền ............................................................................................265 7.9. Tỉ số tín hiệu trên tạp âm kết hợp đường lên và đường xuống.............................266 vii

Mục lục

7.10. Tỉ số tín hiệu trên tạp âm kết hợp tạp âm điều chế giao thoa ............................267 7.11. Tổng kết ..............................................................................................................268 Câu hỏi chương 7.........................................................................................................269 CHƯƠNG 8.....................................................................................................................273 MẠNG VÔ TUYẾN KHẢ TRI ......................................................................................273 8.1 Mở đầu...................................................................................................................273 8.2. Ý tưởng và khái niệm vô tuyến khả tri .................................................................273 8.3. Kiến trúc mạng vô tuyến khả tri ...........................................................................275 8.3.1. Khái quát mạng vô tuyến khả tri....................................................................275 8.3.2. Mô hình kiến trúc hệ thống vô tuyến khả tri..................................................277 8.3.3. Các yêu cầu khi thực hiện hệ thống vô tuyến khả tri .....................................280

T

8.3.4. Chức năng và hoạt động của hệ thống vô tuyến khả tri .................................280

-V

8.4. Kiến trúc vật lý của hệ thống vô tuyến khả tri......................................................284 8.5. Đặc điểm và khả năng ứng dụng cho vô tuyến khả tri .........................................286 8.6. Tổng kết ................................................................................................................287 Câu hỏi chương 8.........................................................................................................288

PT IT

CHƯƠNG 9.....................................................................................................................289 CẢM NHẬN PHỔ TẦN TRONG MẠNG VÔ TUYẾN KHẢ TRI...............................289 9.1. Mở đầu..................................................................................................................289 9.2 Cảm nhận phổ tần đơn băng ..................................................................................289 9.2.1. Các kỹ thuật cảm nhận phổ tần cơ bản. .........................................................289 9.2.2. Hợp tác cảm nhận phổ tần..............................................................................292 9.3 Cảm nhận phổ tần đa băng.....................................................................................293 9.3.1 Vấn đề phát hiện phổ tần đa băng ...................................................................293 2.3.2. Kỹ thuật cảm nhận phổ đa băng.....................................................................294 9.4. Hiệu năng các kỹ thuật cảm nhận phổ tần. ...........................................................300 9.4.1. Hiệu năng của các kỹ thuật cảm nhận phổ tần cơ bản ...................................300 9.4.2. Hiệu năng hợp tác cảm nhận phổ tần .............................................................302 9.4.3. Hiệu năng cảm nhận phổ tần đa băng ............................................................303 9.5 Tổng kết .................................................................................................................305

viii

Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Cấu hình topo của WMAN.................................................................................1 Hình 1.2. Mô hình tham chuẩn WiMAX di động: IEEE 802.16e và IEEE 802.16m .......13 Hình 1.3a. WiMAX A Profile cho thực hiện ASN ...........................................................15 Hình 1.3b. WiMAX B Profile cho thực hiện ASN ...........................................................15 Hình 1.3c. WiMAX C Profile cho thực hiện ASN............................................................15 Hình 1.4. Mô hình CSN.....................................................................................................16 Hình 1.5. Các kết nối liên quan đến chuyển tiếp...............................................................17 Hình 1.6. Cấu trúc ngăn xếp giao thức 802.16m...............................................................18

T

Hình 1.7. Cấu trúc giao thức tổng quát hỗ trợ đa sóng mang của IEEE 802.16m ............21

-V

Hình 1.8. Thí dụ về thiết bị đa vô tuyến với IEEE 802.16m AMS, IEEE 802.11 STA và IEEE 802.15.1...........................................................................................................................21 Hình 1.9. Các chức năng giao thức đối với một ARS .......................................................22 Hình 1.10. Luồng xử lý mặt phẳng số liệu của IEEE 802.16m AMS/ABS ......................23

PT IT

Hình 1.11. Luồng xử lý măt phẳng điều khiển của IEEE 802.16m ABS/AMS................24 Hình 1.12.Xử lý gói IP tại máy phát BS và máy thu MS trong IEEE 802.16m................25 Hình 1.13. Ngăn xếp giao thức của trạm chuyển tiếp IEEE 802.16m. ............................27 Hình 1.14. Kết cuối giao thức trong mạng được phép chuyển tiếp.................................29 Hình 1.15. Kiến trúc giao thức chung để hỗ trợ khai thác đa sóng mang. ........................30 Hình 1.16. Phân chia chức năng E-MBS thành các thành phần........................................31 Hình 1.17. Biểu đồ chuyển đổi trạng thái trạm di động IEEE 802.16m ..........................32 Hình 1.18. Hành vi trạng thái ổn định của IEEE 802.16...................................................33 Hình 1.19. Các thủ tục của trạng thái khởi đầu .................................................................33 Hình 1.20. Các thủ tục của trạng thái truy nhập................................................................34 Hình 1.21. Các thủ tục của trạng thái kết nối ....................................................................35 Hình 1.22. Các thủ tục của trạng thái rỗi...........................................................................36 Hình 2.1. Cấu trúc lớp MAC của WiMAX .......................................................................39 Hình 2.2. Các nhiệm vụ cơ bản được thực hiện tại lớp MA .............................................40 Hình 2.3. Nén tiêu đề trongWiMAX.................................................................................42 Hình 2.4. Các bước nén và giải nén tiêu đề trong WiMAX ..............................................43

ix

Danh mục hình vẽ

Hình 2.5. Kết cấu MAC PDU............................................................................................44 Hình 2.6. Cấu trúc MAC PDU và tiêu đề WiMAX. a) Cấu trúc MAC PDU, b) tiêu đề chung, c) tiêu đề yêu cầu băng thông và báo cáo công suất đường lên. ...................................46 Hình 2.7. Hỗ trợ QoS của WiMAX...................................................................................48 Hình 2.8. Các bứơc của quá trình nhập mạng ...................................................................53 Hình 2.9. Thủ tục định cự ly và điều chỉnh thông số tự động trong WiMAX ..................55 Hình 2.10. Tạo lập luồng dịch vụ mới khởi xướng bởi MS. .............................................56 Hình 2.11. Tạo lập luồng dịch vụ mới khởi xướng bởi BS...............................................57 Hình 2.12. Khai thác chế độ ngủ trong WIMAX ..............................................................58 Hình 2.13. Thí dụ chia vùng tìm gọi .................................................................................59 Hình 2.14. Phát hiện chuyển giao trên cơ sở cường độ trường .........................................61

T

Hình 2.15. Minh hoạ kịch bản chuyển giao ......................................................................63

-V

Hình 2.16. Phương pháp ô dù............................................................................................66 Hình 2.17. Quá trình chuyển giao. ....................................................................................68 Hình 2.18. Kết hợp trong MDHO đường xuống ...............................................................70 Hình 2.19. Chọn gói trong MDHO đường lên ..................................................................71

PT IT

Hình 3.1. Cấu trúc lớp vật lý của WiMAX di động ..........................................................77 Hình 3.2. Cấu trúc sóng mang con OFDMA.....................................................................78 Hình 3.3 Cấu hình sóng mang con cho 1024-FFT OFDMA DL FUSC .........................79 Hình 3.4. Sơ đồ hoán vị sóng mang con của FUSC ..........................................................80 Hình 3.5. Sơ đồ hoán vị sóng mang con DL PUSC (đối với trường hợp FFT 2048) .......81 Hình 3.6. Các cấu trúc DL PUSC và UL PUSC................................................................83 Hình 3.7. Sơ đồ hoán vị cho UL PUSC 4x3......................................................................83 Hình 3.8. Sơ đồ hoán vị cho UL OPUSC 3x3 (tùy chọn) .................................................84 Hình 3.9. Các cấu hình kênh con đựơc tổ chức theo BIN trong AMC .............................86 Hình 3.10. Cấu trúc khung OFDMA TDD (chỉ cho vùng bắt buộc).................................87 Hình 3.11. Cấu trúc khung cơ sở cho các băng thông 5, 10, 20 MHz...............................90 Hình 3.12. Cấu trúc khung TDD và FDD với CP bằng 1/8Tu (Tỷ lệ DL trên UL bằng 5:3) ...................................................................................................................................................91 Hình 3.13. Cấu trúc khung cho TDD và FDD với CP= 1/16Tu (tỷ lệ DL trên UL là 5:3)92 Hình 3.14. Thí dụ về các miền thời gian trong ché độ FDD .............................................93 Hình 3.15. Thí dụ về cấu trúc vật lý đường xuống............................................................93 x

Danh mục hình vẽ

Hình 3.16. Khai thác đa ô với FFR (Fractional Frequency Reuse: tái sử dụng tần số một phần) trong đó FRF=3...............................................................................................................94 Hình 3.17. UL PRU và DL PRU cho khung con kiểu 1, kiểu 2 và kiểu 3. .......................95 Hình 3.18. Sắp xếp đơn vị tài nguyên đường xuống. ........................................................96 Hình 3.19. Mẫu hoa tiêu đường xuống : a) cho một luồng số liệu, b) cho hai luồng số liệu ...................................................................................................................................................98 Hình 3.20. Thí dụ về cấu trúc vật lý đường lên.................................................................99 Hình 3.21. Minh họa sắp xếp đơn vị tài nguyên đường lên ............................................100 Hình 3.22. Các mẫu hoa tiêu đường lên cho một và hai luồng .......................................102 Hình 3.23. Sơ đồ phân tập phát sử dụng mã không gian (nửa trên hình vẽ) và không gian thời gian (toàn bộ hình vẽ)......................................................................................................105

T

Hình 3.24. Sơ đồ mã hóa ngang (a) và đứng (b) cho hai anten phát. ..............................105 Hình 3.25. Cấu trúc PUSC cho hai anten phát đường xuống theo mã STC mẫu A. .......106

-V

Hình 3.26. Cấu trúc lát của UL PUSC cho hai anten phát đường lên theo STC mẫu A. .................................................................................................................................................106 Hình 3.27. Mã phân tập nhẩy tần, FHDC........................................................................108 Hình 3.28. Sơ đồ khối chung cho MIMO vòng kín của WiMAX...................................109

PT IT

Hình 3.29. Chuyển mạch thích ứng cho các chế độ MIMO............................................112 Hình 3.30. Kiến trúc MIMO đường xuống .....................................................................113 Hình 3.31. Kiến trúc MIMO đường lên ..........................................................................118 Hình 3.32. Bộ mã hóa turbo trong hệ thống WiMAX....................................................121 Hình 3.33. Đan xen và tạo ra các khối con.....................................................................122 Hình 3.34. HARQ kiểu II với phần dư tăng ...................................................................123 Hình 3.35. Tái sử dụng tần số một phần .........................................................................124 Hình 3.36. Hỗ trợ MBS nhúng bằng các vùng MBS.......................................................125 Hình 3.37. Cấu trúc ký hiệu định cự ly ...........................................................................127 Hình 4.1. WLAN và LAN ...............................................................................................131 Hình 4.2. Hệ thống WLAN .............................................................................................133 Hình 4.3. Mô hình OSI và các giao thức cho mạng WLAN ..........................................134 Hình 4.4. Mạng BSS........................................................................................................137 Hình 4.5. Mạng IBSS ......................................................................................................138 Hình 4.6. Mạng ESS........................................................................................................138 Hình 4.7. Chế độ cơ sở hạ tầng của WLAN....................................................................140 xi

Danh mục hình vẽ

Hình 4.8. Chế độ Ad-Hoc của WLAN. ...........................................................................140 Hình 4.9. Các băng tần ISM không cần cấp phép ..........................................................141 Hình 4.10. Khuôn dạng khung của 802.11......................................................................144 Hình 4.11. Các kỹ thuật điều chế ...................................................................................146 Hình 4.12. 14 kênh băng thông 22 MHz (11 kênh theo FCC) với ba kênh không chồng lấn: 1, 6, 11..............................................................................................................................147 Hình 4.13. So sánh ốc độ số liệu và phủ sóng.................................................................149 Hình 4.14. Nhận thực, liên kết, liên kết lại của 802.11. ..................................................156 Hình 4.15. Phương pháp truy nhập cơ sở ........................................................................162 Hình 4.16. Biểu đồi thời gian cho trường hợp truyền dẫn các đoạn thành công.............163 Hình 4.17. Biểu đồ thời gian cho trường hợp truyền đoạn thất bại và phát lại ...............163

T

Hình 4.18. Biểu đồ thời gian cho siêu khung vao gồm CFP và CP. ...............................164

-V

Hình 4.19. Biểu đồ thời gian của các cuộc truyền thành công trong hoạt động PCF. ....164 Hình 4.20. Biểu đồ thời gian của một cuộc truyền đường lên thành công và không thành công trong hoạt động PCF. .....................................................................................................165 Hình 4.21. Biểu đồ thời gian phát lại CF-Poll.................................................................165

PT IT

Hình 4.22. Cấu trúc khung được đơn giản hóa của một gói số liệu 802.11 ....................167 Hình 4.23. Các ô gây nhiễu đồng kênh trong 802.11a và 802.11b .................................169 Hình 4.24. Truy nhập kênh gói của 801.11 .....................................................................170 Hình 5.1. Mạng ad hoc ....................................................................................................172 Hình 5.2. Mô hình năm lớp để thiết kế giao thức mạng..................................................179 Hình 5.3. Mạng không kết nối.........................................................................................184 Hình 5.4. Lát cắt vùng dung lượng của mạng 5 nút dọc theo mặt phẳng Ri j , {i j} {12}, {34}, ij. a) định tuyến một chặng không tái sử dụng không gian, b) định tuyến đa chặng, không tái sử dụng không gian, c) định tuyến đa chặng có tái sử dụng không gian, d) bổ sung điều khiển công suất hai mức cho c)......................................................................................193 Hình 5.5. MIMO cộng tác. ..............................................................................................195 Hình 6.1. Các quỹ đạo vệ tinh trong các hệ thống thông tin vệ tinh ...............................200 Hình 6.2. Vệ tinh hai băng tần AMSC ............................................................................205 Hình 6.3. a) các quỹ đao vệ tinh Molnya; b) cấu hình hệ thống thông tin di động vệ tinh ASMC và Archimedes. ...........................................................................................................206 Hình 6.4. Cấu trúc chung của một hệ thống thông tin LEO/MEO..................................207 Hình 6.5. Cấu trúc vệ tinh Globalstar..............................................................................208 xii

Danh mục hình vẽ

Hình 6.6. Các tiêu điểm F1, F2, bán trục chính a và bán trục phụ b đối với một elip......211 Hình 6.7. Định luật Kepler thứ hai ..................................................................................211 Hình 6.8. Độ cao viễn điểm ha, cận điểm hp, góc nghiêng i và La, đường nối các điểm cực. .................................................................................................................................................213 Hình 6.9. Các quỹ đạo đồng hướng và ngược hướng......................................................214 Hình 6.10. Agumen của cận điểm  và góc lên đúng của nút lên . .............................214 Hình 6.11. Hình học sử dụng để xác định góc nhìn vệ tinh địa tĩnh ...............................219 Hình 6.12. a) Hình cầu liên quan đến hình 6.12; b) tam giác phẳng nhận được từ hình 6.12..........................................................................................................................................220 Hình 6.13. Các góc phương vị liên quan đến đến góc A (xem bảng 6.4)........................221 Hình 6.14. Minh hoạ giới hạn tầm nhìn .........................................................................222

T

Hình 6.15. Các cấu hình truyền dẫn FDMA. a) FDM/FM/FDMA; b)TDM/PSK/FDMA; c) SCPC/FDMA ..........................................................................................................................223

-V

Hình 6.16. Thí dụ về một hệ thống FDMA ba trạm sử dụng định tuyến "một sóng mang trên một trạm" .........................................................................................................................224 Hình 6.17. Phổ của bộ phát đáp FDMA và nhiễu kênh lân cận ......................................225

PT IT

Hình 6.18. Sản phẩm điều chế giao thoa bởi hai tín hiệu (các sóng mang không bị điều chế). a) có biên độ bằng nhau; b) và c) có biên độ khác nhau. ...............................................226 Hình 6.19. Đặc tính truyền đạt của bộ khuếch đại phi tuyến ở chế độ đa sóng mang (n>1) .................................................................................................................................................227 Hình 6.20. TDMA sử dụng một trạm chuẩn để đồng bộ thời gian .................................229 Hình 6.21. Nguyên lý truyền dẫn cụm cho một kênh......................................................230 Hình 6.22 Các khối cơ bản trong hệ thống TDMA (chẳng hạn trạm mặt đất A)............231 Hình 6.23. Cấu trúc khung và cụm trong hệ thống TDMA.............................................232 Hình 6.24. SORF trong kế hoạch định thời cụm............................................................233 Hình 6.25. Quan hệ định thời trong hệ thống TDMA. SORF: khởi đầu khung thu; SOTF: khởi đầu khung phát................................................................................................................235 Hình 6.26. Khuôn dạng khung của kênh báo hiệu chung (CSC) ....................................237 Hình 6.27. Khung TDMA được ấn định trước trong hệ thống Intelsat..........................238 Hình 6.28. Cấu trúc cụm lưu lượng Intelsat ...................................................................239 Hình 6.29. Nội suy tiếng; DSI= nội suy tiếng số; DNI= không nội suy .........................240 Hình 6.30. a) bộ phát SPEC; b) bộ thu SPEC .................................................................241 Hình 6.31. Chuyển mạch vệ tinh với ba búp hẹp ............................................................242

xiii

Danh mục hình vẽ

Hình 6.32. Ma trận chuyển mạch các đường truyền vô tuyến ........................................243 Hình 6.33. Hệ thống thông tin vệ tinh CDMA cớ sở ......................................................243 Hình 6.34. Sơ đồ bắt mã trong hệ thống thông tin vệ tinh CDMA. ................................244 Hình 6.35. a) Vòng khóa trễ pha; b) đặc tuyến lỗi ..........................................................244 Hình 7.1. a) Các anten trạm mặt đất và vệ tinh được đồng chỉnh để đạt được khuyếch đại cao nhất; b) trạm mặt đất nằm ở một "vệt phủ" của vệ tinh và anten trạm măt đất không được đồng chỉnh...............................................................................................................................250 Hình 7.2. Nhiệt độ tạp âm không thể giảm được của một anten mặt đất. Anten được coi rằng có búp rất hẹp và không có các búp bên hoặc tổn hao điện. Dưới 1GHz giá trị cực đải xẩy ra đối với búp hướng đến các cực thiên hà. Tại các tần số cao hơn các giá trị cực đại xẩy ra đối với búp ngay sát đường chân trời và các giá trị cực tiểu xẩy ra đối với búp thiên đỉnh. Vùng tạp âm thấp giữa 1 và 10 GHz tốt nhất cho áp dụng các anten tạp âm thấp. ................252

T

Hình 7.3. Tạp âm quy đổi đầu vào ..................................................................................253 Hình 7.4. Đường tổn hao: trở kháng và nhiệt độ được phối hợp cả hai đầu ...................254

-V

Hình 7.5. Nối phidơ với bộ khuếch đại ...........................................................................256 Hình 7.6. Các phần tử chính gây tạp âm tại máy thu ......................................................256 Hình 7.7. Quan hệ giữa độ lùi đầu ra và độ lùi đầu vào cho bộ khuyếch đại đèn sóng chạy ở vệ tinh ..................................................................................................................................261

PT IT

Hình 7.8. Phụ thuộc BER vào Eb/N0 cho điều chế BPSK và QPSK ...............................265 Hình 7.9. a) Kết hợp đường lên và đường xuống; b) lưu đồ dòng công suát cho a) ......266 Hình 7.10. Phụ thuộc các tỷ số tín hiệu trên tạp âm vào độ lùi đầu vào .........................268 Hình 8.1 Minh họa việc chiếm dụng phổ. .......................................................................274 Hình 8.2. Minh họa kiến trúc mạng vô tuyến khả tri CRN..............................................276 Hình 8.3. Minh họa, so sánh, vô tuyến thông thường, vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm SDR và vô tuyến khả tri CR..................................................................................277 Hình 8.4. Sơ đồ khối thực hiện vô tuyến khả tri CR dựa trên SDR. ...............................278 Hình 8.5. Kiến trúc phân lớp tổng quát cho vô tuyến khả tri ..........................................279 Hình 8.7. Các chức năng truyền thông trong mạng vô tuyến khả tri CRN. ....................281 Hình 8.8. Các thành phần cơ bản của vô tuyến khả tri để lựa chọn tần số động.............282 Hình 8.9. Mạng vô tuyến khả tri hoạt động trên băng cấp phép. ....................................283 Hình 8.10. Mạng vô tuyến khả tri hoạt động trên băng không được cấp phép. ..............283 Hình 8.11. Kiến trúc vật lí của vô tuyến khả tri: (a) Máy thu/phát của vô tuyến khả tri; (b) Kiến trúc đầu cuối RF băng rộng............................................................................................285 Hình 8.12. Chu trình nhận thức .......................................................................................286 xiv

Danh mục hình vẽ

Hình 9.1. Bộ phát hiện nhất quán....................................................................................290 Hình 9.2. Bộ phát hiện năng lượng. ................................................................................291 Hình 9.3. Minh họa hợp tác giữa các SU để giảm vấn đề đầu cuối ẩn. ..........................292 Hình 9.4. Minh họa phân chia phổ băng rộng thành nhiều băng con không chồng lấn. .294 Hình 9.5. (a) Bộ lọc thông dải khả chỉnh; (b) Bộ dao động nội; (c) Cảm nhận phổ tần nối tiếp hai tầng.............................................................................................................................295 Hình 9.6. (a) Cấu trúc ngân hàng bộ lọc; (b) Các bộ phát hiện đơn băng SB song song trên mền tần số. .......................................................................................................................297 Hình 9.7. Minh họa hiệu năng của cảm nhận sóng con...................................................298 Hình 9.8. Các đường đặc tính hoạt động máy thu ROC của ba bộ phát hiện đơn băng khác nhau. ...............................................................................................................................302

PT IT

-V

T

Hình 9.9. Các đường cong đặc tính hoạt động máy thu ROC với số lượng SU hợp tác khác nhau. ...............................................................................................................................303

xv

Danh mục bảng biểu

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. So sánh các chuẩn IEEE 802.16, 802.16-2004 và 802.16e-2005 .......................2 Bảng 1.2. Các loại ứng dụng cho hệ thống dựa trên 802.16e..............................................7 Bảng 1.3. Các yêu cầu cơ bản đối với 802.16m..................................................................9 Bảng 1.4. Tổng kết các băng tần có thể sử dụng cho thông tin không dây băng rộng......10 Bảng 3.1. Các kiểu gói được xử lý tại lớp con hội tụ........................................................40 Bảng 3.2. Các trường trong tiêu đề MAC PDU ................................................................45 Bảng 2.3. QoS và các ứng dụng của WiMAX ..................................................................48

T

Bảng 3.4. Các tùy chọn lập biểu dịch vụ...........................................................................51

-V

Bảng 3.5. Các thông số trong tập các khả năng cơ sở của BS và MS...............................55 Bảng 2.6. Cân đối giữa xác suất rớt và tỷ lệ chuyển giao ...............................................62 Bảng 3.1. Các ứng dụng cuả WiMAX .............................................................................74 Bảng 3.2. Các thông số cuả S-OFDMA ............................................................................77

PT IT

Bảng 3.3. Ấn định sóng mang con cho một ký hiệu kênh DL FUSC ..............................80 Bảng 3.4. Ấn định các sóng mang con trên một ký hiệu OFDM trên kênh DL PUSC....81 Bảng 3.5. Ấn định sóng mang con cho một ký hiệu OFDM trên PUSC đường lên .........84 Bảng 3.6. Ấn định sóng mang con cho một ký hiệu OFDM của OPUSC (PUSC đường lên tùy chọn). ............................................................................................................................84 Bảng 3.7. Các thông số OFDM .........................................................................................89 Bảng 3.8. Các dạng điều chế và mã hóa được sử dụng ở lớp vật lý...............................102 Bảng 3.9. Tốc độ số liệu vật lý cho các kênh con PUSC ................................................103 Bảng 3.11. Các tốc độ số liệu cho các cấu hình SIMO/MIMO khác nhau (cho kênh 10 MHz, khung 5ms, kênh con PUSC, 44 ký hiệu OFDM số liệu).............................................107 Bảng 3.12. Các tính năng tùy chọn anten tiên tiến..........................................................111 Bảng 3.13. Các tốc độ số liệu cho các cấu hình SIMO/MIMO khác nhau (cho kênh 10 MHz, khung 5ms, kênh con PUSC, 44 ký hiệu OFDM số liệu).............................................113 Bảng 3.14. Danh sách chế độ MIMO..............................................................................117 Bảng 3.15. Danh sách chế độ MIMO..............................................................................119 Bảng 4.1. Mô hình tham chiếu OSI.................................................................................133 Hình 4.3 cho thấy m hình OSI và các giao thức cho mạng WLAN. ...............................134 xvi

Danh mục bảng biểu

Bảng 4.1. Các băng tần vô tuyến 802.11b theo vùng địa lý............................................141 Bảng 4.1. Tốc độ số liệu và sơ đồ điều chế trong 802.11b. ............................................146 Bảng 4.2. Sơ đồ điều chế và mã hóa trong chuẩn 802.11a..............................................149 Bảng 4.3. Các MCS thường được hỗ trợ trong 802.11n .................................................151 Bảng 4.2. Khe thời gian, CWmin, CWmax cho ba đặc tả PHY......................................162 Bảng 4.3. Tốc độ phụ thuộc khoảng cách cho các hệ thống 802.11 khác nhau ..............167 Bảng 6.1. Các ký hiệu băng tần.......................................................................................201 Bảng 6.2. Đặc tính của ba loại DOMSAT tại Mỹ ...........................................................203 Bảng 6.4. Thí dụ về thông số vệ tinh (theo công bố của NASA)....................................215 Bảng 6.4. Các góc phương vị Az từ hình 6.13 .................................................................221

T

Bảng6.5. Các chế độ chuyển mạch..................................................................................242

PT IT

-V

Bảng 7.1. Suy hao trong các thành phố và các vùng của tỉnh Ontario............................262

xvii

Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU Để đáp ứng các nhu cầu về thông tin với chất lượng và dịch vụ ngày càng nâng cao, mọi lúc mọi nơi, bên cạnh các thông tin di động, đã có rất nhiều các hệ thống thông tin vô tuyến khác được phát triển. Do kiến thức về Thông tin di động đã được đề cập trong một môn học khác, giáo trình “Các mạng thông tin vô tuyến” sẽ cung cấp cấp cho sinh viên các kiến thức về các mạng thông tin vô tuyến khác đang được triển khai bao gồm: WiMAX IEEE 802.16; WLAN trên cơ cở WiFi IEEE 802. 11; Mạng ad-hoc không dây; Mạng thông tin vệ tinh; và Mạng vô tuyến khả tri.

PT IT

-V

T

Đây là môn học tự chọn được dành cho sinh viên viễn thông năm cuối của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông. Bài giảng có cấu trúc 08 chương. Hai chương đầu trình bày về mạng WiMAX, đề cập đến các kiến thức tổng quan về WiMAX, kiến trúc mạng WiMAX và đặc biệt tập trung vào lớp MAC và lớp vật lý của WiMAX. Chương 3 đề cập đến một mạng vô tuyến đang được triển khai rất phổ biến hiện nay là mạng cục bộ vô tuyến WLAN với các nội dung liên quan đến các chuẩn WLAN, lớp vật lý, dung lượng và hiệu năng mạng WLAN. Chương 4 trình bày các kiến thức cơ bản về mạng vô tuyến Adhoc do đã có môn học tự chọn riêng về công nghệ mạng này. Chương 5 và chương 6 tập trung giới thiệu về hệ thống thông tin vệ tinh và thiết kế đường truyền thông tin vệ tinh. Hai chương cuối, chương 7 và 8, giới thiệu hệ thống vô tuyến khả tri, một công nghệ vô tuyến mới được triển khai nhằm tận dụng hiệu quả băng tần vô tuyến và khắc phục vấn đề cạn kiệt băng tần hiện nay.

Hà Nội ngày 22 tháng 12 năm 2016

xviii

Chương 1: Tổng quan WiMAX

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN WIMAX 1.1 Tổng quan họ tiêu chuẩn 802.16

-V

T

Họ tiêu chuẩn IEEE 802.16 (giao diện vô tuyến mạng vùng đô thị không dây) cho truy nhập băng rộng (BWA: Broadband Wireless Access) cung cấp công nghệ truy nhập "km cuối cùng" cho các điểm nóng với các dịch vụ số liệu, video và thoại tốc độ cao. Ưu điểm nổi bật nhất của BWA là giá thành lắp đặt và bảo dưỡng thấp so với các truy nhập mạng cáp đồng và cáp quang nhất là đối với các vùng xa xôi và khó lắp đặt các mạng truy nhập hữu tuyến. BWA có thể mở rộng các mạng cáp quang và cung cấp dung lượng cao hơn các mạng cáp đồng hay các đường dây thuê bao số (DSL: Digital Subsscriber Line). Các mạng không dây này có thể được lắp đặt rất nhanh bằng cách sử dụng một số trạm gốc (BS: Base Station) đặt trên các tòa nhà cao tầng hoặc một số cột để tạo nên các hệ thống truy nhập không dây tốc độ cao. Hình 1.1 cho thấy cấu hình cuả một mạng WMAN. Văn phòng nhỏ Biệt thự

PT IT

Trạm gốc

Chung cư

Mạng lõi Bộ lặp

Nhà máy

Trạm gốc Hình 1.1. Cấu hình topo của WMAN

Thành viên đầu tiên của họ BWA là chuẩn IEEE 802.16. Chuẩn này được dự thảo đầu tiên vào 12/2001 và phiên bản cuối cùng đựơc công bố 8/4/2002. Băng thông công tác của chuẩn này là 10-66 GHz, với truyền sóng trực xạ. Cấu hình topo của chuẩn này dựa trên mạng điểm đa điểm trong đó lưu lượng được truyền giữa một trạm gốc (BS: Base Station) và nhiều trạm thuê bao (SS: Subscriber Station). Tiêu chuẩn IEEE 802.16 được công bố vào 9/2001, với tiêu đề "Đồng tồn tại với các hệ thống truy nhập băng rộng không dây cố định" cũng bao

1

Chương 1: Tổng quan WiMAX

phủ 10-66GHz. Tiêu chuẩn 802.16.c "Các hồ sơ chi tiết cho 10-66 GHz" được dự thảo đầu tiên vào 24/5/2002 và phiên bản cuối cùng được phát hành vào 15/1/2003.

-V

T

Sự sửa đổi bổ sung này đã cập nhật và mà mở rộng điều khoản 12 của tiêu chuẩn IEEE 802.16 2001 liên quan đến các hồ sơ về các tập tính năng và chức năng áp dụng cho các trường hợp thực hiện khai điển hình. Tuy nhiên BWA ngày càng đựơc sử dụng nhiều cho các vùng dân cư, nên truyền trực xạ không còn thích hợp do địa hình và cây cối. Ngoài ra nhiễu đa đường truyền và giá thành sử dụng lắp đặt anten ngoài trời cao. Vì thế cần sửa đổi bổ sung cho chuẩn 802.16 hiện hữu. Đây là lý do ra đời tiêu chuẩn 802.16a được ban hành vào 1/4/2003. Chuẩn này bao hàm các sửa đổi lớp MAC (Media Access Control) và nhiều đặc tả lớp vật lý cho cả băng tần cấp phép và miễn phép. Một sửa đổi đáng kể của lớp MAC là các chế độ lưới tùy chọn. Điểm khác biệt giữa chế độ điểm đa điểm (PMP: Point to Multipoint) và lưới là ở chỗ, trong chế độ PMP lưu lượng chỉ xẩy ra giữa BS và các SS, còn trong chế độ lưới lưu lượng có thể định tuyến qua các SS khác và có thể trực tiếp giữa các SS. Ưu điểm của chế độ này là hoạt động vẫn đựơc đảm bảo ngay cả khi có chướng ngại lớn như núi đồi chặn đường truyền trực xạ giữa SS và BS. Các SS bị chặn này có thể kết nối gián tiếp đến BS thông qua các SS khác. Một thay đổi đáng kể khác của lớp MAC là nó hỗ trợ nhiều đặc tả lớp vật lý, trong đó mỗi đặc tả phù hợp cho một môi trừơng khai thác đặc thù. Trong chuẩn 802.16a ba cấu trúc lớp vật lý (PHY) được định nghĩa: SC (Single Carrier: đơn sóng mang), 256-OFDM và 2048-OFDMA.

PT IT

Chuẩn IEEE 802.16-2004 được công bố vào năm 2004 đã hợp nhất và sửa đổi các chuẩn 802.16- 2001, 802.16c và 802.16a thành bộ chuẩn chung. Trong đó 802.16- 2001 cho hoạt động trong dải tần từ 10- 66 GHz trực xạ trước đây có tên mới trong chuẩn này là WirelessMAN 802.16-SC, còn 802.16a cho băng tần dưới 11 GHz không trực xạ có ba chế độ lớp vật lý với ba tên mới sau đây: WirelessMAN 802.16-SCa, WirelessMAN 802.16-OFDM và WirelessMAN 802.16-OFDMA. Cả hai 802.16 và 802.16a đều được sử dụng cho truy nhâp không dây băng rộng cố định. Trên cơ sở chuẩn 802.16a, nhóm công tác IEEE 806.16e đã xây dựng chuẩn 802.16e bao gồm "các lớp vật lý và MAC cho khai thác cố định và di động trong băng tần cấp phép". Trong chuẩn này tính di động được bổ sung cho các SS trước đây chỉ hỗ trợ kết nối mạng cố định trong các băng tần từ 2 đến 6GHz. Bảng 1.1 so sánh các tính năng của các chuẩn 802.16, 802.16-2004 và 802.16e-2005. Bảng 1.1. So sánh các chuẩn IEEE 802.16, 802.16-2004 và 802.16e-2005

Ngày hoàn thành Băng tần

802.16 8/2002 10-66GHz

Điều kiện kênh

LOS

Kiến trúc MAC Sơ đồ truyền dẫn

Điểm đa điểm Đơn sóng mang

802.16-2004 6/2004 10-66GHz 2-11GHz LOS NLOS Điểm đa điểm, lưới Đơn sóng mang OFDM 256 hay 2024

802.16e-2005 12/2005 2-11GHz cho cố định 2-6GHz cho di động NLOS Điểm đa điểm, Lưới Đơn sóng mang, 256OFDM, 2

Chương 1: Tổng quan WiMAX

Tính di động

sóng mang QPSK, 16QAM, BPSK, QPSK, 64QAM 16QAM, 64QAM 32-134,4Mbps 1-75Mbps Cụm: TDM/TDMA Cụm: TDM/TDMA/OFDMA Cố định Cố định

Băng thông kênh

20, 25, 28MHz

Điều chế Tốc độ tổng Ghép kênh

256 OFDM WiMAX cố định

cho S-OFDMA WiMAX di động

cho

PT IT

Bán kính ô điển 2-5 km hình Ứng dụng cho Không WiMAX

-V

T

Ký hiệu giao diện WirlessMAN-SC vô tuyến

1,75 MHz; 3,5MHz; 7 MHz; 14 MHz; 1,25 MHz; 5 MHz; 10 MHz; 15 MHz; 8,75 MHz WirelessMAN-SCa, WirelessMAN-OFDM WirelessMANOFDMA WirelessHUMAN 7-40 km

S-OFDMA BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM 1-75Mbps Cụm: TDM/TDMA/OFDMA Cố định, di rời, sách tay, di động 1,75 MHz; 3,5MHz; 7 MHz; 14 MHz; 1,25 MHz; 5 MHz; 10 MHz; 15 MHz; 8,75 MHz WirelessMAN-SCa, WirelessMAN-OFDM WirelessMANOFDMA WirelessHUMAN 2-5 km

Chuẩn IEEE cho các mạng LAN và MAN, phần 16: “Giao diện vô tuyến cho các hệ thống truy nhập không dây băng rộng cố định và di động” đã đưa ra các sửa đổi bổ sung cho IEEE 802.16-2004 và IEEE 802.16e.2005. Chuẩn này được gọi là IEEE 802.16 -2009 hay chuẩn IEEE 802.16 kế thừa. Chuẩn IEEE 802.16m được nghiên cứu cho hệ thống WiMAX di động đáp ứng tiêu chuẩn của IMT-2000 Advanced. Chuẩn IEEE 802.16m có các tính năng tiên tiến sau: 

IEEE 802.16m đưa thêm một số tính năng tiên tiến so với IEEE 802.16-20009 như: cấu trúc khung dựa trên khung con cho phép phát/ phát lại nhanh hơn trên đường truyền vô tuyến để đạt đựơc trễ mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng số liệu nhỏ hơn



Các sơ đồ phân định kênh con mới và các cấu trúc hoa tiêu hiệu quả hơn trên đường xuống và đường lên để giảm chi phí bổ sung lớp 1 và tăng hiệu suất phổ



Các cấu trúc kênh điều khiển mới và cải tiến trên đường xuống và đường lên để tăng hiệu suất và giảm trễ ấn định tài nguyên và truyễn dẫn cũng như nhập và nhập lại hệ thống



Khai thác đa sóng mang sử dụng một thực thể MAC cho phép hoạt động trong các băng liên tục và không liên tục



Cac chế độ MIMO được mở rộng và cải thiện trên đường xuống và đường lên

3

Chương 1: Tổng quan WiMAX

Cac dịch vụ đa phường và quảng bá nâng cao (E-MBS: Enhanced Multicast Broadcast Service) sử dụng các kênh điều khiển E-MBS và phân định kênh con



Các dịch vụ dựa trên vị trí được xậy dựng trên cơ sở không GPS và có GPS nâng cao



Hộ trợ cá ô Femto và các tính năng tự quản lý và tối ưu hóa



Tăng dung lượng VoIP bằng cách sử dụng cấu trúc điều khiển, cấu trúc khung mới, phát lại HARQ nhanh hơn lập biểu cố định, lập biểu nhóm và giảm chí phí MAC bổ sung



Cải thiện và tăng vùng phủ sóng kênh số liệu và kênh điều khiển cũng như quỹ đường truyền bằng cách sử dụng các sơ đồ phân tập phát cũng như các khuôn dạng truyền dẫn bền vững và thích ứng đường truyên



Hỗ trợ kỹ thuật lọai nhiễu tiên tiến bao gồm các sơ đồ MIMO đa BS, tái sử dụng tần số một phần, điều khiển công suất vòng kín và vòng hở



Cải thiện các sơ đồ chuyển giao nội RAT (Radio Access Technology: công nghệ truy nhập vô tuyến) và chuyển giao giữa các RAT với thời gian ngắt cho chuyển giao ngắn hơn



Các thiện các hoạt động của chế độ ngủ và chế độ rỗi



Cải thiện hỗ trợ QoS

-V

T



PT IT

Chuẩn IEEE 802.16 đã được phát triển nhiều năm với sự tham gia của nhiều nhà công nghiệp. Tuy nhiên chuẩn này quá rộng và việc hợp chuẩn IEEE 802.16 chưa đảm bảo rằng thiết bị cuả một nhà cung cấp sẽ tương hợp với thiết bị của nhà cung cấp khác. WiMAX Forum (WiMAX: Worldwide Interoperability for Microwave Access), một tổ chức phi lợi nhuận bao gồm trên 350 thành viên, tiếp nhận công việc mà IEEE để lại. Trong số các thành viên cuả WiMAX Forum có các nhà cung cấp dịch vụ, các nhà cung cấp thiết bị, các nhà sản xuất bán dẫn và thiết bị. WiMAX cũng cộng tác với HiperMAN, một nhóm công tác trong trong Ủy ban kỹ thuật cuả ETSI BRAN. Sự hợp tác này dẫn đến được sự hoàn toàn hài hòa giữa ETSI HiperMAN và IEEE 802.16 thể hiện ở tài liệu bổ sung 802.16e và các chuẩn tương tác: PHY (TS 102 177v.1.6.1) và DLC (TS 102.178v.1.6.1). Hoạt động khởi thảo các tiêu chuẩn đo kiểm được sử dụng trong quá trình kiểm tra cuả WiMAX Forum đã được thực hiện với sự cộng tác chặt chẽ của ETSI BRAN HiperMAN, nhóm công tác WiMAX Forum và nhóm công tác chứng nhận WiMAX Forum. Với nhiều thành viên khác nhau, đại diện toàn thế giới và sự cộng tác của ETSI, WiMAX Forum đã sẵn sàng cổ vũ việc tiếp nhận toàn cầu và hài hòa giải pháp vô tuyến băng rộng được chuẩn hóa dựa trên chuẩn vô tuyến IEEE 802.16 đảm bảo được tính tương hợp. Để đạt được mục đích này, Forum định nghĩa hiệu năng hệ thống và các hồ sơ chứng nhận bao gồm một tập con chuẩn IEEE 802.16 với các tính năng bắt buộc và tùy chọn cùng với một bộ đo kiểm tính tương tác và hợp chuẩn để kiểm tra thiết bị và đảm bảo tính tương hợp của nhiều nhà cung cấp. Vì thế nhãn chứng nhận WiMAX đảm bảo cả sự hợp chuẩn WiMAX 802.16 lẫn tính tương hợp. Các phương tiện đo kiểm cấp chứng nhận đầu tiên được thiết lập tại Cetecom Labs ở Malaga, Tây Ban Nha tháng 7 năm 2005 và các sản phẩm được cấp chứng nhận WiMAX trên chuẩn 802.16-2004 đã bắt đầu xuất hiện trên thị trường. Các phương tiện cấp chứng nhận bổ sung cũng sẽ được thiết lập để để tạo 4

Chương 1: Tổng quan WiMAX

điều kiện cho quá trình cấp chứng nhận và đáp ứng các yêu cầu bổ sung cho quá trình đo kiểm cấp chứng nhận cho 802.16e cho các ứng dụng di động. Các nhóm công tác cấp chứng nhận và kỹ thuật của WiMAX Forum đang nghiên cứu cho cấp chứng nhận các sản phẩm WiMAX di động sẽ bắt đầu đưa ra vào quý 4 năm 2006 đến giữa năm 2007. Kỳ vọng rằng sẽ có nhiều sự tham gia của các thành viên hệ thống, các đối tác và nhu cầu về các sản phẩm 802.16e sẽ tăng, giá thành trên một thuê bao sẽ giảm trong 2 -3 năm tiếp theo.

1.2. Các tính năng tiên tiến của WiMAX WiMAX là giải pháp truy nhập vô tuyến băng rộng cho phép hỗ trợ nhiều tính năng tiên tiến và các khả năng linh hoạt khi lựa chọn các phương án triển khai cũng như cung cấp dịch vụ. Trong phần này ta sẽ xét các tính năng tiên tiến của WiMAX. Lớp vật lý dựa trên OFDM. Lớp vật lý của WiMAX được xây dựng trên cơ sở OFDM cho phép chống lại phađinh đa đường và hoạt động trong môi trường NLOS.

-V

T

Tốc độ số liệu đỉnh rất cao. WiMAX có khả năng hỗ trợ các tốc độ số liệu đỉnh rất cao. Trong thực tế, tốc độ số liệu đỉnh lớp vật lý có thể đạt đến 74Mbps khi sử dụng băng thông 20MHz. Thông thường băng thông 10MHz với sơ đồ TDD được sử dụng theo tỷ lệ đường xuống trên đường lên 3:1 cho phép đạt đựơc tốc độ vào khoảng 25Mbps cho đường xuống và 6,7Mbps cho đường lên. Các tốc độ đỉnh này đạt được khi sử dụng sơ đồ điều chế 64QAM với mã hóa kênh hiệu chỉnh lỗi có tỷ lệ mã 5/6 (viết tắt là 5/6 64QAM).

PT IT

Hỗ trợ băng thông và tốc độ số liệu khả định cỡ. WiMAX có kiến trúc lớp vật lý khả định cỡ cho phép dễ dàng định cỡ băng thông khả dụng. Khả năng định cỡ được hỗ trợ trong chế độ OFDMA, trong đó có thể định cỡ kích thứơc FFT theo băng thông kênh. Chẳng hạn hệ thống WiMAX có thể sử dụng 128-FFT, 512-FFT hay 1028-FFT tùy theo băng thông là 1,25MHz; 5MHz hay 10MHz. Việc định cỡ có thể thực hiện động để hỗ trợ người sử dụng khi chuyển vùng giữa các mạng có băng thông khác nhau. Mã hóa và điều chế thích ứng (AMC). WiMAX hỗ trợ nhiều sơ đồ mã hóa và điều chế và cho phép thay đổi các sơ đồ này theo từng khung đối với từng người sử dụng tùy theo điều kiện kênh. AMC là một kỹ thuật để đạt được thông lượng cực đại trong kênh thay đổi theo thời gian. Giải thuật thích ứng dẫn tới sử dụng sơ đồ điều chế và mã hóa phù hợp nhất đối với tình trạng kênh để vẫn đảm bảo chất lượng đường truyền nhưng cho phép truyền dẫn với tốc độ cao nhất. Phát lại lớp vật lý. Đối với các kết nối đòi hỏi độ tin cậy cao, WiMAX hỗ trợ yêu cầu phát lại tự động (ARQ) tại lớp vật lý. Các kết nối được phép ARQ sẽ yêu cầu phía thu xác nhận gói được truyền. Các gói không được xác nhận sẽ bị coi rằng đã bị mất và phải phát lại. WiMAX cũng cho phép chọn HARQ (ARQ lai ghép) để áp dụng linh hoại mã hóa kênh sửa lỗi cho ARQ. Hỗ trợ TDD và FDD. IEEE 802.16-2004 và IEEE 802.16e-2005 hỗ trợ cả ghép song công phân chia theo thời gian (TDD) và ghép song công phân chia theo tần số (FDD) cũng như ghép bán song công phân chia theo tần số (HFDD) để có thể thực hiện hệ thống với giá thành thấp. TDD sẽ trở thành ứng dụng chính vì có một số ưu việt sau: (1) cho phép linh hoạt sử dụng tỷ lệ tốc độ số liệu giữa đường xuống và đường lên, (2) khả năng sử dụng tính đổi 5

Chương 1: Tổng quan WiMAX

lẫn của kênh, (3) khả năng áp dụng trong điều kiện phổ đơn, (4) thiết kế máy thu phát ít phức tạp hơn. Tất cả các hồ sơ ban đầu của WiMAX đều dựa trên TDD ngoại trừ hai hồ sơ WiMAX cố định trong dải tần 3,5GHz. Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA). OFDMA tạo điều kiện để thực hiện phân tập tần số và phân tập người sử dụng nhờ vậy cải thiện đáng kể dung lượng hệ thống.

T

Ấn định tài nguyên linh hoạt và động cho từng người sử dụng. Ấn định tài nguyên đường lên lẫn đường xuống đều được thực hiện dưới sự điều khiển bởi bộ lập biểu của BS. Các người sử dụng chia sẻ dung lượng tùy theo yêu cầu bằng cách sử dụng sơ đồ ghép cụm theo thời gian. Khi sử dụng chế độ OFDMA-PHY (OFDMA lớp vật lý), ghép kênh còn được thực hiện trong miền tần số bằng cách ấn định các tập con sóng mang cho các người sử dụng khác nhau. Tài nguyên cũng có thể được ấn định trong miền không gian bằng cách sử dụng các hệ thống anten tiên tiến (AAS). Tiêu chuẩn cho phép ấn định các tài nguyên băng thông trong miền thời gian, tần số và không gian và có kỹ thuật kinh hoạt để truyền thông tin về ấn định tài nguyên theo từng khung.

-V

Hỗ trợ các kỹ thuật anten tiên tiến. WiMAX đưa vào thiết kế lớp vật lý một số tính năng cho phép sử dụng các kỹ thuật đa anten như tạo búp, mã hóa không gian thời gian và ghép kênh không gian. Các sơ đồ này được sử dụng để cải thiện tổng dung lượng hệ thống bằng cách sử dụng nhiều anten tại máy phátt hoặc (và) nhiều anten tại máy thu.

PT IT

Hỗ trợ QoS. Lớp MAC có kiến trúc định hướng theo kết nối được kết nối để hỗ trợ các ứng dụng khác nhau bao gồm cả tiếng và các dịch vụ đa phương tiện. Hệ thống cho phép hỗ trợ các luồng lưu lượng tốc độ bit không đổi, tốc độ bit khả biến, thời gian thực và phi thời gian thực cùng với lưu lượng số liệu nỗ lực nhất. WiMAX MAC cũng được thiết kế để hỗ trợ số lượng lớn người sử dụng có nhiều kết nối trên một đầu cuối, trong đó mỗi kết nối có một QoS riêng. An ninh nghiêm ngặt. WiMAX hỗ trợ mật mã mạnh bằng cách sử dụng AES (Advanced Encription Standard: chuẩn mật mã tiên tiến) và các giao thức bảo mật cũng như quản lý khóa mạnh. Hệ thống cũng đưa ra kiến trúc nhận thực rất linh hoạt dựa trên giao thức nhận thực khả mở rộng (EAP: Extensible Authentication Protocol) cho phép sử dụng các chứng nhận người sử dụng khác nhau như: tên người sử dụng/ mật khẩu, các chứng nhận số và các thẻ thông minh. Hỗ trợ tính di động. Phương án WiMAX di động của hệ thống có các cơ chế để hỗ trợ chuyển giao xuôn sẻ và an toàn cho các ứng dụng hoàn toàn di động với trễ cho phép như VoIP. Hệ thống cũng có các cơ chế tiết kiệm công suất để kéo dài thời hạn acqui trong các máy cầm tay. Các tăng cường lớp vật lý như ước tính kênh thường xuyên hơn, sắp xếp kênh con đường lên và điều khiển công suất cũng được đưa vào tiêu chuẩn để hỗ trợ các ứng dụng di động. Kiến trúc dựa trên IP. WiMAX Forum đã định nghĩa kiến trúc mạng tham chuẩn dựa trên nền tảng toàn IP. Tất cả các dịch vụ đầu cuối đầu cuối được truyền trên một kiến trúc IP

6

Chương 1: Tổng quan WiMAX

dựa trên các giao thức IP cho truyền tải đầu cuối đầu cuối, quản lý phiên QoS, an ninh và di động.

1.3 WiMAX di động

-V

T

WiMAX di động được xây dựng trên chuẩn IEEE 802.16e và IEEE 802.16m là một giải pháp không dây băng rộng cho phép hội tụ các mạng di động và cố định thông qua một công nghệ vô tuyến băng rộng vùng rộng chung và một kiến trúc mạng linh hoạt. Giao diện vô tuyến của WiMAX di động tiếp nhận đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) để cải thiện hiệu năng cho các môi trường truyền dẫn không trực xạ. S- OFDMA (OFDMA khả định cỡ) được đưa vào 802.16e để hỗ trợ băng thông khả định cỡ từ 1,25 đến 20 MHz. Nhóm kỹ thuật di động (MTG: Mobile Technical Group)) trong WiMAX Forum đã phát triển các hồ sơ hệ thống WiMAX di dộng để định nghĩa các tính năng bắt buộc và tùy chọn của chuẩn IEEE. Các tính năng này cần thiết để xây dựng giao diện vô tuyến hợp chuẩn với chứng nhận của WiMAX Forum. Hồ sơ hệ thống WiMAX di động cho phép lập cấu hình các hệ thống di động dựa trên một tập các tính năng cơ sở chung để đảm bảo hoạt động tương hợp cho các thiết bị đầu cuối và các trạm gốc. Một số phần tử của hồ sơ trạm gốc được đặc tả tùy chọn để đảm bảo tính linh hoạt khi triển khai trong các trường hợp đặc biệt đòi hỏi cấu hình khác (chẳng hạn để tối ưu hóa dung lượng hoặc vùng phủ). Phát hành 1 của các hồ sơ WiMAX di động sẽ bao phủ các băng thông 5; 7; 8,75; 10 MHz cho các ấn định phổ tần trong các băng cấp phép: 2,3 GHz; 2,5 GHz; 3,3 GHz và 3,5 GHz.

PT IT

WiMAX Forum đã định nghĩa một số ứng dụng cho các hệ thống sử dụng 802.16e và nghiên cứu các mô hình lưu lượng và ứng dụng cho chúng. Các ứng dụng này được chia thành năm loại. Các loại ứng dụng này được tổng kết trong bảng 1.2 dưới đây cùng với các thông số trễ và jitter để đảm bảo yêu cầu chất lượng của người sử dụng. Bảng 1.2. Các loại ứng dụng cho hệ thống dựa trên 802.16e

Loại 1

2

3

4

5

Ứng dụng Trò chơi tương tác đa lớp VoIP & Hội nghị truyền hình Phương tiện luồng

Băng thông Thấp 50 kbps

Trễ Thấp